基于C/S結構的模具CAPP系統的開發

劉寶聚

【摘要】根據模具加工工藝的特點，設計了模具CAPP系統的總體結構、系統功能模塊，介紹了基于實例推理的工藝決策方法，同時將模具報價功能模塊引入模具CAPP系統中，使得模具CAPP系統更加完善。

【關鍵詞】模具CAPP;CBP;模具報價

1.引言

工藝設計是機械制造過程的技術準備工作中一項重要內容，是聯系產品設計和產品制造的橋梁和紐帶。它不僅是制造企業生產準備的重要環節，而且是企業各個部門產品信息的交匯中心，對于保證產品質量、縮短生產周期、降低產品成本和提高經濟效益都起著十分重要的在作用。

計算機輔助工藝設計（Computer Aided Process Planning CAPP）是運用計算機協助工藝設計人員進行工藝規劃設計的一種技術，是在人和計算機組成的系統中，以人為中心，根據產品設計數據，人機交換的或由計算機自動的生成產品加工方法和工藝規程，也即將產品實際信息與制造環境提供的所有可能的加工能力信息進行匹配與優化的過程，是以計算機技術為支撐的信息時代環境下的產物。隨著制造業信息化建設的發展，CAD/CAPP/CAM系統集成在計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufacturing System CIMS）中的地位愈發重要，而CAPP系統又是CAD/CAPP/CAM系統集成的重要組成部分，是連接CAD/CAM的橋梁。

2.CAPP系統的開發

長期以來，模具的加工的工藝編制主要依靠手工，模具種類多、批量小，工藝設計繁瑣，規范性差，成熟的工藝經驗難以保存和借鑒，存在工藝設計時間長，工藝文檔保存困難等問題。因此需要開發一套適合模具特點的CAPP系統，解決工藝設計的瓶頸問題，實現工藝信息的集成管理，提高設計效率和質量。

2.1 系統的開發環境

本系統采用Visual Basic.net進行程序的編制，采用MS SQL Server 2000建立數據庫。

Visual Basic.net是在以往版本基礎上不斷改進而成，具有強大的程序設計和數據庫開發功能，而且提供了非常豐富的編程接口，使開發者能快速的構建企業級應用系統，同時采用VB.net進行程序編制，便于進行可視化設計，實現“所見即所得”的交互式操作方法。MS SQL Server 2000 是在MS SQL Server 7.0的基礎上產生的，它在易用性、可收縮性、可靠性以及數據倉庫等方面都有很大的增強，同時，與VB.net 之間具有良好的通用性和兼容性。

2.2 系統的結構框架

根據模具的加工工藝的特點，模具制造車間的實際生產情況和具體要求，在設計中融合檢索式、派生式、創成式的工藝生成方法。圖1為模具CAPP系統的功能模塊圖：

圖1 模具CAPP系統功能模塊圖

（1）總控模塊：負責系統的總體調度，協調各部分之間的工作。

（2）典型工藝管理模塊：在進行工藝設計時，先在典型工藝實例庫中檢索，檢索到相似的零件加工工藝，在此基礎上進行修改、編輯后應用，最后將編輯后的加工工藝存入數據庫，以備以后檢索。

（3）工藝設計模塊：在檢索不到相似的零件加工工藝的情況下，在相關的工藝數據庫的支持下，在人機交互的基礎上，創成出所需的加工工藝。

（4）工藝資源管理模塊：對各種工藝資源數據庫進行管理，查詢工藝資源、新增工藝資源、刪除工藝資源和編輯工藝資源。

（5）用戶管理模塊：對用戶的權限進行分類，并進行管理。

（6）模具報價模塊：把模具報價的數據資源存入相關的數據庫，并在設計完成加工工藝的基礎上，由計算機自動生成模具生產的價格，以供用戶詢價時使用。

（7）工藝文件輸出模塊：生成加工工藝文件并輸出。

（8）幫助模塊：對本軟件的使用、功能等方面的問題進行說明和解釋。

2.3 數據庫的建立

CAPP系統作為連接產品設計與制造的橋梁，需要與產品設計與制造的各個環節交換大量的數據，同時CAPP系統內部各模塊之間也存在大量的數據交換，沒有很好的數據管理技術就會使某些算法變得復雜，效率不高，甚至難以實現既定的任務。為了提高數據交換的速度和效率，保證數據交換的完整性和可靠性，必須采用有效的數據管理技術。數據庫技術在數據管理、維護、查詢、匯總等方面具有無可比擬的優越性，是CAPP系統集成化應用的支撐環境。根據模具加工工藝的特點，需要建立的數據庫：

（1）工藝裝備數據庫：主要包括機床、刀具、夾具、材料等資料，實現對工藝裝備資料的存儲和管理。

（2）工藝知識庫：主要有典型工藝實例庫、工藝模板庫、標準工藝庫等。實現典型工藝的檢索、編輯和存儲以及對模具加工的創成式工藝設計。

（3）工藝規則庫：主要包括機床的選擇、刀具的選擇、夾具的選擇、加工參數的選擇等工藝決策規則。

（4）圖形庫：主要包括典型零件的工程圖，使工藝設計過程更形象。

（5）報價知識庫：主要包括基點工時庫、單位工時平均含金額庫、制件報價信息庫、各種報價系數修正庫等資源。

3.系統開發中的主要問題

3.1 基于實例的工藝決策方法

通常在工藝設計中，工藝設計人員的工藝經驗和工藝知識難以被計算機利用，基于實例的工藝決策能夠克服這方面的困難。基于實例的決策是應用基于實例推理（Case-based Reasoning，CBR）技術進行工藝決策。

基于實例推理的工藝決策基本原理是在CAPP系統中數據庫中存有典型的工藝設計實例庫，在工藝設計時根據一定的相似標準，檢索一個相似的實例，并對該實例的加工工藝作適當的修改，使之符合待加工零件的實際情況，從而生成新的工藝規程。對于新零件的加工工藝也可以存儲到實例庫中，以備以后檢索。圖2是CBR決策的基本過程。

圖2 CBR決策過程

人們將基于實例的推理（Case-based Reasoning，

簡稱CBR）技術用于變異式工藝決策，從而構造出基于實例的工藝決策方法（Case-based Planning，簡稱CBP）。這種工藝決策方法的知識是以實例的形式存儲的，而實例的獲取過程比規則的獲取要方便得多，并且基于實例的工藝設計可以使設計工作不必從零開始，從而提高了系統解決問題的效率，所以CBP的知識的獲取容易且效率高。再有由于實例所包含的工藝決策結果一般是經過審校和實際檢驗的正確的工藝規程，所以從實例變異出來的工藝路線一般與生產實際更為接近，同時這種工藝決策方法還可以使CAPP系統能不斷積累和更新工藝設計實例，隨著實例的增加，系統解決問題的能力將逐漸增強。

圖3 CBP的模塊功能圖

CBP的基本思想是典型的變異式設計思想，基于實例的變異式工藝決策方法主要歸結為六個方面的問題，分別由六個模塊完成，他們是實例獲取、實例表達、實例管理、實例匹配與抽取、實例工藝信息篩選、實例工藝路線修正等（見圖3）。

（1）實例表達：即如何對實例進行描述和表達，這是CBP的基礎。

（2）實例獲取：如果新問題的解可能用于以后與之相似的問題的求解，則可將該新問題的有關信息、求解結果和求解過程中的有關知識等作為一個實例存入實例庫中，這就是所謂的實例獲取與學習過程。

（3）實例管理：其任務是如何創建實例庫，并對實例庫進行擴充、更新、修改，以及刪除無用實例等，而且實例的抽取方式與實例的管理方式有關。

（4）實例匹配與抽取 ?根據新問題的相關信息和特點，從實例庫中搜索出于新問題最相似的實例。

（5）實例工藝信息篩選：將所抽取實例中對過去問題的求解結果應用于新問題的求解，保留對新問題的求解有用的信息，去掉無用信息。

（6）實例工藝路線修正：對實例工藝信息篩選的結果進行檢查和修正，使篩選結果更接近新問題的解。

3.2 人工智能技術

人工智能AI（Artificial ?Intellegence）是20世紀50年代在美國首先興起的一門綜合性很強的邊緣學科，它的出現引起了世界各國眾多科學家和學者的重視，今年來，它最引人注目的成就是專家系統的研究走向實用化。

工藝設計時經驗性很強的工作，長期以來依靠有經驗的工藝設計人員來完成，隨著計算機技術、信息技術、人工智能技術等多學科先進技術在機械制造過程中的綜合應用，使制造業適應以多品種、小批量生產為特征的瞬息多變的市場需求，工藝設計專家系統也就應運而生了。

專家系統是把有關人類專家的經驗和知識表示成計算機能夠接受和處理的 符號形式，采用專家的推理方法和控制策略，解決該領域內只有專家才能處理的問題，并到達專家級水平。

圖4 專家系統基本結構

專家系統的基本結構是圍繞知識庫和推理機來組織的，簡單的說：知識+推理=專家系統。一個實用的專家系統主要包括知識庫、推理機、解釋系統、知識獲取系統和人機接口等模塊。專家系統的基本結構示意圖如圖4所示。

（1）知識庫：在專家系統中存放以一定形式表示的專家知識、經驗的集合稱為知識庫。知識庫的組織和結構形式對于提高專家系統效率至關重要。建立某一專業領域的知識庫是一個復雜的過程，一般說來，總是先建立一個子集，然后利用知識庫開放系統來修改和擴充知識庫，并對其中的知識進行檢驗和排錯。

（2）推理機：推理機是控制、協調整個系統工作的機構。它根據系統當前接受到的信息，利用知識庫中的知識，按一定的推理策略去解決當前的問題。推理策略主要有：正向推理、反向推理以及綜合運用前兩種方式的混合推理。

（3）解釋系統：以用戶易于接受的形式說明必要的推理過程，回答產生結論的理由，只有系統能解釋自己的行為、推理和結論。用戶才能信賴系統。解釋功能可以對系統的推理行為作出解釋，解釋不僅使結論易于為用戶所理解、接受，幫助用戶建立系統、調試系統，而且還可以對缺乏領域知識的用戶起到傳授知識的作用。

（4）知識獲取系統：專家系統的專門知識和推理能力源于人類專家的頭腦中，知識獲取的任務是把這些知識提取出來，轉化為計算機內部能識別的符號，經檢測后裝入知識庫，知識獲取系統也可修改和擴充知識庫中原有的知識。

（5）人機接口：人機接口是將專家和用戶的輸入信息翻譯成系統可以接受的內部形式，同時把系統向專家或用戶的輸出信息轉換為人類易于理解的形式。

所以，專家系統是一個計算機程序，它對某一領域的問題提供具有領域專家水平的解答。

4.結語

本文使用Window作為開發平臺，使用Microsoft的Visual Basic.net 與SQL Server 2000作為開發工具，基于先進的客戶機/服務器（Client/Server）的三層體系結構即用戶層、業務規則層和數據庫層，并從企業的實際情況出發，以方便易用為指導準則，將基于實例的推理（CBR）技術和數據庫技術、人工智能技術等應用于CAPP系統中，實現綜合式的模具CAPP系統。

參考文獻

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[2]趙汝嘉，孫波.計算機輔助工藝設計（CAPP）[M].機械工業出版社，2003.

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